现场总线技术-1-概述.ppt

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1、现场总线技术 Fieldbus Technology课程简介n特点：涉及工程概念和设计方法的内容 较多，理论内容较少 （技术规范多，公式推导少）n重点：设计与应用n主要介绍的总线类型：Modbus（经典），Profibus（标准），Industrial EtherNet（趋势）第1章 现场总线技术概述n现场总线是20世纪90年代发展形成的，用于过程自动化、制造业自动化、楼宇过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化、家庭自动化自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络n现场总线是目前自动化领域研究和应用的热点之一n现场总线控制系统是现场总线与控制系统的集成 Fieldbus Control S

2、ystem本章的主要内容n1.1 现场总线的由来n1.2 现场总线的定义和分类n1.3 现场总线的特点n1.4 现场总线技术的现状及发展1.1 现场总线的由来n现场总线技术是为了满足控制（测控）系统向 数字化发展的需要而产生的n数字化的优点：信息量更丰富n控制系统的4个发展阶段：模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；集散控制系统；现场总线控制系统模拟仪表控制系统 Analog Control Systemn出现于20世纪50年代之前n基地式仪表：功能简单n统一的模拟信号：0.020.1MPa，010mA，15V，420mA n典型的单回路控制系统：控制算法简单模拟仪表控制系统 Analog Co

3、ntrol System 常规模拟单回路调节（控制）系统 调节仪表：输入输出 测量仪表：输出 420mADC 执行器：输入直接数字控制系统 Direct Digital Control Systemn出现于20世纪60年代初n随着计算机的发展和普及而得到应用n多回路控制：控制功能增强，算法先进n执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量 （420mA）n需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换直接数字控制系统 Direct Digital Control System用计算机代替模拟控制仪表 可实现复杂控制算法和协调控制 缺点：控制功能集中导致危险性加大集散控制系统 Distributed Cont

4、rol Systemn出现于20世纪70年代中期n随着大规模集成电路和微处理器的发展和成熟而得到应用n控制功能分散到多个子系统（控制站）n组成：包括过程控制站、操作站（人机界面）和通信系统n集中操作、分散控制-集散控制系统集散控制系统 Distributed Control System现场总线控制系统 Fieldbus Control Systemn出现于20世纪90年代后期n在DCS的基础上进一步数字化n控制功能进一步向下（现场设备）分散n用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行机构的模拟量接口（420mA）n双向通信方式使传输的信息量大大丰富现场总线控制系统 Fieldbus Contro

5、l System传统控制系统的主要缺点n（1）信息集成能力不强 控制器与现场设备之间通过I/O连线 连接，传送420mA模拟量信号或24VDC 开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，如设备参数、故 障记录等有用数据很难得到。传统控制系统的主要缺点n（2）系统开放性、可集成性差 除现场设备采用标准的420mA或者24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能 使用同一家产品。不同厂家产品之间缺乏 互操作性、互换性，因此可集成性差。传统控制系统的主要缺点n（3）成本高、可靠性差 对于大范围的分布式控制系统，大量 的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，更是增加了系统的故障点，降低了系

6、统的 可靠性。传统控制系统的主要缺点n（4）可维护性不高 由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。现场总线技术就是为了克服上述缺点而产生和发展的 现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形 n由于嵌入式技术的发展，许多测量变送仪表和执行机构等现场设备实现了智能化，即内置微处理器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。n因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式（而不是

7、并行I/O方式）完成对现场设备的监控。n如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，从而完成对所有现场设备的监控。这就是产生现场总线技术的初始想法和技术基础这就是产生现场总线技术的初始想法和技术基础现场总线技术的产生 n基于以上初始想法，设想使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议和通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是模拟量信号，而是基于现场总线的数字化信号，进而构成由数字化通信网络连接起来的控制系统。n发展至今，已经出现了至少几十种现场总线。1.2 现场总线的定义及分类现场总线的定义（4种）：n用于现场仪

8、表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；n广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统；n基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS；n一种数字化的串行双向通信系统。1.2 现场总线的定义及分类IEC（国际电工委员会）定义：一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。总线的分类毫米级：芯片内总线厘米级：芯片间总线、元件总线分米级：机箱内总线（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等）十米级：机柜间总线（RS-232、GPIB、VME、VXI等）百千米级：现场总线（M

9、odbus、FF、Profibus等）按数据通信宽度分类n（1）传感器现场总线（数据宽度为位-Bit）：适用于简单的开关装置和输入输出位的 通信,如Seriplex总线、AS-i总线等。n（2）装置现场总线（数据宽度为字节-Byte）：适用于以字节为单位的装置类通信,如 Interbus总线、Device-Net总线和CAN总线等。按数据通信宽度分类n（3）全服务的现场总线（数据宽度为数据流或模块Block）：以报文通信为主，除了对装置进行读取 数据外，还包括一些对装置的操作和控制 功能,如FF(Foundation Fieldbus)总线、Lonworks总线、Hart总线等。按应用行业分类

10、n（1）过程控制（连续生产过程）用现场 总线：FF的H1、Profibus-PA等n（2）离散控制用现场总线：Profibus-DP、Device-Net等n（3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等n（4）车辆制造业用现场总线：CAN等n（5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等n（6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等1.3 现场总线的特点n现场总线控制系统的结构特点nFCS与DCS的对比n现场总线的技术特点n现场总线的主要优点现场总线控制系统的结构特点n（1）现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原来DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于设备现场，加上现场总

11、线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，因而控制功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。现场总线控制系统的结构特点n（2）由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。FCS与DCS的结构对比FCS与DCS的详细对比FCSDCS(1)结构一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。一对一：一对传输线接

12、一台仪表，单向传输一个信号。(2)可靠性可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高。可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。FCS与DCS的详细对比FCSDCS（3）失控状态操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态。（4）控制控制功能分散在各个智能仪器中。所有的控制功能集中在控制站中。FCS与DCS的详细对比FCSDCS （5）互换性用户可以自由选择不同制造事故内提供

13、的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连，实现“即插即用”。尽管模拟仪表统一了信号标准（420mADC），可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表不能互换。（6）仪表智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算能力。模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。现场总线的技术特点n（1）系统的开放性 通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。n（2）互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。现场总线的技术特点n（3）现场设备

14、的智能化与功能自治性 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成。n（4）系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，提高了可靠性。现场总线的技术特点n（5）对现场环境的适应性 可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。现场总线技术的主要优点n（1）FCSFCS实现全数字化通信实现全数字化通信 DCS采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并采用数字通信方式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是一对一模拟信号(如420mADC)传输方式，因此DC

15、S是一个“半数字信号”系统。FCS采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接。现场总线技术的主要优点n（2）FCSFCS实现彻底的全分散式控制实现彻底的全分散式控制 在DCS中，生产现场的多台模拟仪表集中接于输入输出单元，每台仪表只有单一的信号变换功能，而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于DCS的控制站内。从这个意义上讲，DCS只是一个“半分散”系统。FCS舍弃了DCS的输入输出单元，由现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零

16、，功能块分散地分配给现场总线上的数字仪表。从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。现场总线技术的主要优点n（3 3）FCSFCS实现不同厂商产品互联、互操作实现不同厂商产品互联、互操作 DCS系统的硬件、软件甚至现场级设备都是各制造商自行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议的专有与不兼容，彼此难以互联、互操作。而FCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。FCS允许用户选用各制造商性能价格比最优的产品集成控制系统，因而具有很好的可集成性。现场总线技术的主要优点n（4 4）FCSFCS增强系统的可靠性、可维

17、护性增强系统的可靠性、可维护性 FCS采用总线连接方式替代传统的DCS一对一的I/O连线，对于大规模的I/O系统来说，减少了DCS由接线点造成的不可靠因素。同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCS具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统的可维护性。现场总线技术的主要优点n（5 5）FCSFCS降低系统工程成本降低系统工程成本 FCS对于大范围、大规模分布式控制系统来说，节省了电缆、I/O装置及电缆敷设费用。以每23台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少1/2到2/3的输入输出卡、输入输出柜和隔离器等。因此，现场总线仪表与控制室间的

18、电缆连接和安装等费用估计可节约50。1.4 现场总线的现状及发展n现场总线标准的制定n现有现场总线标准（国际、国内）n现场总线发展中存在的问题n现场总线技术的发展趋势现场总线标准的制定n标准化的重要性 标准化是经济建设、科技进步、国际贸易和社会发展的重要技术基础。它不仅与人民生活和工农业生产密切相关，也与国际贸易和科技合作的开展密切相关，标准化是实现现代化大规模生产的重要保证，是规范市场秩序，连接国内外市场的重要手段。因此，现场总线的标准，特别是国际标准受到了大家的重视。制定标准的机构n(一)世界上 国际标准化组织ISO(International Standard Organization)

19、国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)国际电信联盟ITU（International Telegraphy Union）欧洲电工标准化委员会CENELEC（欧洲标准EN）n(二)国内 制订国家标准GB的组织是全国标准化委员会现有的现场总线标准 2004年4月，IEC公布了现场总线标准 第三版（即IEC61158 Ed.3），规定了10种类型的现场总线，分别是：nType1 TS61158 现场总线nType2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线nType3 Profibus现场总线nType4 P-NE

20、T现场总线现有的现场总线标准nType5 FF HSE现场总线nType6 Swift-Net 现场总线nType7 WorldFIP现场总线nType8 INTERBUS现场总线nType9 FF H1现场总线nType10 PROFInet现场总线现有的现场总线标准n2006年11月，全国工业测量和控制标准化技术委员会发布了中国第一个工业通信领域现场总线技术国家标准：n国家标准GB/T20540-2006Profibus规范n国家标准化指导性技术文件GB/Z20541-2006Profibus规范现场总线发展中存在的问题n(1)各种现场总线都是受国际上一些处于垄断地位的跨国大公司所支持。n

21、(2)跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。n(3)有的公司早期投人大量资金使得产品间世较早。n(4)一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于一些跨国的大公司。n(5)IEC是多极化的组织，其代表都来自各个国家的一些大公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复性。多标准多标准 =无标准！无标准！现场总线发展中存在的问题n现场总线自出现以来，一直以开放性、全数字化、互可操作性、智能化等特点著称，用户对现场总线的应用与推广充满信心。而现场总线标准的门户之争日见白热化，多种现场总线互不兼容，不同协议的产品之间无法实现高速的实时数据传输，“自动化孤岛现象并

22、未真正得到解决。而且近20年的标准之争和市场大战最终形成了多种标准共存的局面，这种情况无论在技术层面还是市场层面都给用户带来了疑问和困惑。现场总线发展中存在的问题（1）多标准共存与现场总线的开放性相背离 一般认为DCS和PLC属于封闭性系统，而FCS是开放性系统，所以它一出现就受到用户的肯定。但实际上FCS的开放性是针对自己来说是开放的，异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。现场总线发展中存在的问题（2）多标准共存难以体现现场总线的互操作性 现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的全部设备，同时，用户也不希望受制于某一个制作商

23、。现场总线的主要特点之一互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的10种现场总线国际标准中，不同种类的现场级现场总线之间是不能进行互操作的。虽说可以通过网关（Gateway）通信或通过OPC协议进行互操作，但这种互操作不能直接在现场仪表间进行，而且不能满足系统对实时性的要求。现场总线发展中存在的问题（3）现场总线的局限性 过程控制层PCS（Process Control System）包含了现场总线；中间的制造执行层MES（Manufacturing Execution System）主要用于监控、优化和调度，在管控一体化中起到承上启下的作用；最上层是企业资源规划管理层ERP（Enterprise

24、Resource Planning）用于企业的计划、销售、库存、财务、人事及企业的经营、管理和决策等。现场总线发展中存在的问题（4）多标准共存阻碍现场总线技术的推广 目前的现场总线国际标准IEC61158 Ed.3规定中7类经典现场总线，它们各具特点，但又都有不足之处，没有一种能覆盖所有的应用范围。因此，可以说多标准形同无标准，在这种情况给仪表制造商、设计部门和用户带来了很大不便。用户要随时注意国际上各种现场总线及相关技术的动态，承担着由国际标准的变化给用户带来的风险，这种态势使得一些打算进行技术改造的企业处于观望状态，这样势必影响现场总线技术的推广。现场总线技术的现状及发展n（1）多种总线共存n（2）每种总线各有其应用领域n（3）每种总线各有其国际组织n（4）每种总线均有其支持背景现场总线技术的现状及发展n（5）设备制造商参加多个总线组织n（6）多种总线均作为国家和地区标准n（7）协调共存n（8）工业以太网引入工业领域 小结和习题复习题：1.什么是现场总线？现场总线出现的历史背景是怎样的？2.与DCS系统相比，FCS有哪些特点？有哪些优越性？3.分析现场总线的现状，展望其发展前景。